專利名稱：一種非調(diào)質(zhì)碳素結(jié)構(gòu)鋼及其制造方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種非調(diào)質(zhì)優(yōu)質(zhì)碳素結(jié)構(gòu)鋼及制造方法，屬于微合金非調(diào)質(zhì)鋼及其生產(chǎn)方法技術(shù)領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
汽車、工程機(jī)械等行業(yè)要求鋼材有較高的屈服強(qiáng)度及抗拉強(qiáng)度、韌性等力學(xué)性能。通常，多使用調(diào)質(zhì)45號(hào)鋼。45號(hào)鋼是汽車、工程機(jī)械等行業(yè)用量最大的優(yōu)質(zhì)碳素結(jié)構(gòu)鋼之一，但其需要經(jīng)過工序復(fù)雜、周期長、易產(chǎn)生淬火缺陷、能耗高、污染重的調(diào)質(zhì)工序，生產(chǎn)成本高，同時(shí)也增加了環(huán)保壓力。這也是目前生產(chǎn)中亟待解決的主要問題之一。針對(duì)上述問題，業(yè)內(nèi)人士進(jìn)行了一些有益的探索，如不斷研究微合金非調(diào)質(zhì)鋼品種并在相關(guān)領(lǐng)域逐步推廣使用。日本特許廳公開特許公報(bào)昭和59-136420專利公開了一種鐵素體+珠光體組織的非調(diào)質(zhì)鋼，其主要化學(xué)成份為0.35～0.50％C，0.15～0.35％Si，0.50～1.50％Mn，0.05～0.20％V，0.006～0.020％N，該鋼種熱加工溫度為1000℃以上，500～700℃冷速10～100℃/min，但其空冷時(shí)不能保證厚度35mm以上板坯心部獲得VHN220以上硬度；而風(fēng)冷獲得要求冷速時(shí)則導(dǎo)致表面與心部的硬度差距增大；同時(shí)增加冷卻應(yīng)力，導(dǎo)致后續(xù)加工過程中出現(xiàn)變形甚至開裂，僅適用于冷加工厚度或直徑為35mm以下的螺栓零件。故應(yīng)進(jìn)一步研制滿足汽車、工程機(jī)械行業(yè)高強(qiáng)度、強(qiáng)韌性力學(xué)性能要求的微合金化非調(diào)質(zhì)鋼及其加工工藝。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是克服已有技術(shù)中存在的問題而提供一種非調(diào)質(zhì)碳素結(jié)構(gòu)鋼及其制造方法，在45號(hào)鋼主要化學(xué)成分基礎(chǔ)上添加微量合金化元素，通過其復(fù)合微合金化作用，結(jié)合相應(yīng)的控軋控冷工藝，改善非調(diào)質(zhì)鋼強(qiáng)度有余而韌性不足的問題，使其滿足用戶要求的力學(xué)性能指標(biāo)。
本發(fā)明采用下述技術(shù)方案一種非調(diào)質(zhì)碳素結(jié)構(gòu)鋼，其化學(xué)成分范圍按重量百分比計(jì)為C 0.42-0.50％ Si0.17-0.37％ Mn 0.50-0.80％ V 0.03-0.30％ Ti 0.005-0.040％ N 0.005-0.020％ Al0.005-0.050％ S≤0.035％ P≤0.035％，余為Fe。
本發(fā)明非調(diào)質(zhì)碳素結(jié)構(gòu)鋼優(yōu)先選擇的成分(按重量百分比)為C 0.42-0.50％ Si0.17～0.37％ Mn 0.50～0.80％ V 0.03～0.20％ Ti 0.005～0.040％ N 0.009～0.020％ Al 0.005～0.040％ S≤0.035％ P≤0.025％，余為Fe。
上述非調(diào)質(zhì)碳素結(jié)構(gòu)鋼，所述鋼的組分中還有Cr0.05-0.30％。
上述非調(diào)質(zhì)碳素結(jié)構(gòu)鋼，所述鋼的組分中還有Nb，其重量百分比≤0.20％。
上述非調(diào)質(zhì)碳素結(jié)構(gòu)鋼的制備方法，它按如下工序進(jìn)行(1).冶煉及合金化電爐或轉(zhuǎn)爐冶煉，出鋼、采用爐外精煉至化學(xué)成分范圍符合要求。
(2).控軋控冷鋼坯在加熱爐的均熱溫度為1130～1280℃，開軋溫度1050～1200℃，終軋溫度850～1050℃，軋材的冷卻速度為20～110℃/min。
上述非調(diào)質(zhì)碳素結(jié)構(gòu)鋼的制備方法，所述冶煉及合金化工序中，合金化的順序?yàn)樵诔鲣摶驙t外精煉過程中，至C、Si、Mn、Al、S、P的化學(xué)成分范圍符合要求后，增N，然后加入V-Fe、Ti-Fe，至熔煉分析為V、Ti、N的化學(xué)成分范圍符合要求，保護(hù)澆注；。
上述非調(diào)質(zhì)碳素結(jié)構(gòu)鋼的制備方法，所述合金化工序中，在出鋼或爐外精煉過程中還加入Cr-Fe，至熔煉分析為Cr的化學(xué)成分范圍符合要求。
上述非調(diào)質(zhì)碳素結(jié)構(gòu)鋼的制備方法，所述合金化工序中，與V-Fe、Ti-Fe一同加入Nb-Fe，至熔煉分析為Nb的化學(xué)成分范圍符合要求。
如果小噸位電爐采用老三段式冶煉工藝，可免去爐外精煉步驟。
上述非調(diào)質(zhì)碳素結(jié)構(gòu)鋼的制備方法，所述軋材在冷床上的溫度低于600℃后進(jìn)行收集堆冷。
本發(fā)明合金成分的設(shè)計(jì)理由分析如下C本發(fā)明充分發(fā)揮C的強(qiáng)化作用，同時(shí)兼顧韌性，選擇其含量為0.42-0.50％。
Mn可溶于鐵素體和滲碳體中，對(duì)強(qiáng)度和韌性均有良好作用。
Si在鐵素體-珠光體組織的非調(diào)質(zhì)鋼中能顯著強(qiáng)化鐵素體，促進(jìn)鐵素體形成和均勻分布，提高韌性。Si是保證強(qiáng)度必須元素，過低脫氧不充分，過高引起鐵素體基體變脆，韌性下降，本發(fā)明Si含量為0.17-0.37％。
Cr的綜合強(qiáng)韌化作用比Mn要強(qiáng)，在加熱時(shí)溶入奧氏體強(qiáng)烈提高淬透性。
本發(fā)明合金中加入0.03-0.30％的V，它與鋼中的C、N結(jié)合形成V的碳氮化物，軋制溫度下，釩的碳氮化物充分溶解，能獲得最大強(qiáng)化效果；在軋制后冷卻相變過程中析出強(qiáng)化作用也較強(qiáng)。
Ti細(xì)化晶粒并能同時(shí)提高強(qiáng)度和韌性，但加入過多在鋼中形成粗大的TiN顆粒，降低韌性，本發(fā)明選擇Ti的加入量為0.005-0.040％。
N是經(jīng)濟(jì)有效的微合金強(qiáng)化元素，其作用在于1)促進(jìn)釩的析出，提高沉淀析出強(qiáng)化效果；2)與Ti結(jié)合形成TiN，細(xì)化晶粒；3)提高TiN的穩(wěn)定性；4)節(jié)約V合金20％～40％。
Al是脫氧強(qiáng)有力元素，與鋼中N結(jié)合成AlN，有細(xì)化晶粒作用。
Nb的強(qiáng)化作用和細(xì)化晶粒作用介于V、Ti之間，其加入量最高可達(dá)0.20％，Cr0.05-0.30％。
與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的積極效果是向45#鋼中添加V、Ti、N、Al等元素進(jìn)行復(fù)合微合金化處理，使其在軋制態(tài)的力學(xué)性能與調(diào)質(zhì)態(tài)45#鋼性能相當(dāng)，達(dá)到了節(jié)能、省去調(diào)質(zhì)工序、縮短生產(chǎn)周期、降低成本的目的。發(fā)明鋼的另一特點(diǎn)在于，在大工業(yè)生產(chǎn)條件下即使因其它不可抗拒因素造成的工藝值不當(dāng)，通過調(diào)質(zhì)處理還能將本發(fā)明鋼作為調(diào)質(zhì)45#鋼使用，不至造成材料的浪費(fèi)。
具體實(shí)施例方式
根據(jù)本發(fā)明化學(xué)成分范圍，用50噸電爐和50噸轉(zhuǎn)爐生產(chǎn)了8爐鋼(其化學(xué)成份見表1所示)，澆鑄成300×220mm斷面、180×220mm斷面和150×150mm斷面連鑄坯，軋制成φ40～φ85mm規(guī)格棒材，軋制工藝為鋼坯在加熱爐的均熱溫度為1130～1280℃，開軋溫度1050～1200℃，終軋溫度850～1050℃，軋材在冷床上用鼓風(fēng)機(jī)風(fēng)冷，冷卻速度為20～110℃/min。在軋材上取φ25mm的試樣毛坯，加熱至950±20℃，保溫30分鐘，對(duì)其力學(xué)性能進(jìn)行了測(cè)定，結(jié)果如表2所示。
表1本發(fā)明8個(gè)實(shí)施例鋼的主要化學(xué)成份(單位wt％)

表2本發(fā)明8個(gè)實(shí)施例鋼的性能 符號(hào)說明Rel屈服強(qiáng)度，Rm抗拉強(qiáng)度，A伸長率，Z斷面收縮率，AKU2沖擊功，HBS布氏硬度備注本發(fā)明非調(diào)質(zhì)鋼正火工藝為∮25mm的試樣毛坯，加熱至950±20℃，保溫30分鐘；本發(fā)明鋼由于采用了V、N、Nb的強(qiáng)化作用和Ti、Al的細(xì)化晶粒作用，結(jié)合相應(yīng)的控軋控冷工藝，發(fā)明鋼軋制態(tài)性能與45#鋼調(diào)質(zhì)態(tài)性能相當(dāng)，尤其是強(qiáng)度提高較多(達(dá)到685MPa級(jí)別)，韌性良好，完全符合GB/T699-1999標(biāo)準(zhǔn)中抗拉強(qiáng)度要求≥600MPa，沖擊韌性值要求≥39J的要求，達(dá)到了代替45#調(diào)質(zhì)鋼、省去熱處理工序的目的。
權(quán)利要求
1.一種非調(diào)質(zhì)碳素結(jié)構(gòu)鋼，其特征在于，化學(xué)成分范圍按重量百分比計(jì)為C 0.42-0.50％、Si 0.17-0.37％、Mn 0.50-0.80％、V 0.03-0.30％、Ti 0.005-0.040％、N 0.005-0.020％、Al0.005-0.050％、S≤0.035％、P≤0.035％，余為Fe。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的非調(diào)質(zhì)碳素結(jié)構(gòu)鋼，其特征在于，化學(xué)成分范圍按重量百分比計(jì)為C 0.42-0.50％ Si 0.17～0.37％ Mn 0.50～0.80％ V 0.03～0.20％ Ti 0.005～0.040％ N 0.009～0.020％ Al 0.005～0.040％ S≤0.035％ P≤0.025％，余為Fe。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的非調(diào)質(zhì)碳素結(jié)構(gòu)鋼，其特征在于，所述鋼的組分中還有Cr，其重量百分比為0.05-0.30％。
4.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的非調(diào)質(zhì)碳素結(jié)構(gòu)鋼，其特征在于，所述鋼的組分中還有Nb，其重量百分比為≤0.20％。
5.根據(jù)權(quán)利要求3所述的非調(diào)質(zhì)碳素結(jié)構(gòu)鋼，其特征在于，所述鋼的組分中還有Nb，其重量百分比為≤0.20％。
6.權(quán)利要求1或2所述非調(diào)質(zhì)碳素結(jié)構(gòu)鋼的制備方法，其特征在于，它按如下工序進(jìn)行(1).冶煉及合金化電爐或轉(zhuǎn)爐冶煉，出鋼、采用爐外精煉至化學(xué)成分范圍符合要求；(2).控軋控冷鋼坯在加熱爐的均熱溫度為1130～1280℃，開軋溫度1050～1200℃，終軋溫度850～1050℃，軋材的冷卻速度為20～110℃/min。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述之非調(diào)質(zhì)碳素結(jié)構(gòu)鋼的制備方法，其特征在于，冶煉及合金化工序中，合金化的順序?yàn)樵诔鲣摶驙t外精煉過程中，至C、Si、Mn、Al、S、P的化學(xué)成分范圍符合要求后，增N，然后加入V-Fe、Ti-Fe，至熔煉分析為V、Ti、N的化學(xué)成分范圍符合要求，保護(hù)澆注。
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述之非調(diào)質(zhì)碳素結(jié)構(gòu)鋼的制備方法，其特征在于，所述合金化工序中，在出鋼或爐外精煉過程中加入Cr-Fe，至熔煉分析為Cr的化學(xué)成分范圍符合要求。
9.根據(jù)權(quán)利要求7或8所述之非調(diào)質(zhì)碳素結(jié)構(gòu)鋼的制備方法，其特征在于，所述合金化工序中，與V-Fe、Ti-Fe一同加入Nb-Fe，至熔煉分析為Nb的化學(xué)成分范圍符合要求。
10.根據(jù)權(quán)利要求6所述之非調(diào)質(zhì)碳素結(jié)構(gòu)鋼的制備方法，其特征在于，所述軋材在冷床上的溫度低于600℃后進(jìn)行收集堆冷。
全文摘要
一種非調(diào)質(zhì)優(yōu)質(zhì)碳素結(jié)構(gòu)鋼及制造方法，屬于微合金非調(diào)質(zhì)鋼技術(shù)領(lǐng)域。提供了一種在45號(hào)鋼主要化學(xué)成分基礎(chǔ)上添加微量微合金化元素的非調(diào)質(zhì)碳素結(jié)構(gòu)鋼及其制造方法，通過其復(fù)合微合金化作用，結(jié)合相應(yīng)的控軋控冷工藝，改善非調(diào)質(zhì)鋼強(qiáng)度有余而韌性不足的問題。非調(diào)質(zhì)碳素結(jié)構(gòu)鋼的化學(xué)成分范圍按重量百分比計(jì)為 C 0.42－0.50％、Si 0.17－0.37％、Mn0.50－0.80％、V 0.03－0.30％、Ti 0.005－0.040％、N 0.005－0.020％、Al 0.005－0.050％、S≤0.035％、P≤0.035％，余為Fe。制備方法為(1)冶煉及合金化電爐或轉(zhuǎn)爐冶煉，出鋼、采用爐外精煉至化學(xué)成分范圍符合要求，保護(hù)澆注；(2)控軋控冷鋼坯在加熱爐的均熱溫度為1130～1280℃，開軋溫度1050～1200℃，終軋溫度850～1050℃，軋材的冷卻速度為20～110℃/min?？墒∪フ{(diào)質(zhì)工序，降低生產(chǎn)成本。
文檔編號(hào)C22C33/00GK1730703SQ200510014720
公開日2006年2月8日 申請(qǐng)日期2005年8月5日 優(yōu)先權(quán)日2005年8月5日
發(fā)明者安啟明, 梁玫, 傅萬堂, 劉石虹, 許滿林, 戴觀文 申請(qǐng)人:石家莊鋼鐵股份有限公司